Filtru de Particule Catalitice

SUMAR

Acest studiu are ca scop utilizarea celor mai recente modele multifazice în vederea cercetării comportamentului parametrilor hidrodinamici ai unui Reactor cu Filtru de Particule Catalitice(Trickling Bed Rreactor-TBR), cum ar fi: căderea de presiune, retenţia coloanei (liquid holdup) şi eficienţa catalizatorului. Ţinând seama de fenomenele de transport cum ar fi transferul de masă şi căldură, s-a dezvoltat un model Euler de fluid, de tip cinetic „k”; acest lucru s-a realizat prin introducerea unei valori medii ale volumului în ecuaţia de contnuitate şi în cea a momentului, acestea au fost rezolvate pentru o reprezentare 2D a patului filtrant în condiţii de regim nepermanent. Modelarea CFD (Computational Fluid Dynamics-Dinamica Fluidelor Computerizată) realizează o bună prognoză a parametrilor hidrodinamici în condiţiile de reacţie. Mai mult, se cercetează performanţele catalizatorului în termeni de Carbon Organic Total –Total Organic Carbon -TOC şi se poate concluziona că modelul de fluid Eulerian de tip „k” este o alegere raţională pentru simularea curgerii fluidului prin filtrul compact; se pune condiţia înglobării în modelul CFD a unor rezultate bune ale interacţiunii fluid-fluid şi fluid-particule. Abordarea CFD este utilizată pentru cercetarea reacţiei catalizatorului cu apa uzată în condiţii de curgere descendentă. Se obţin, în urma măsurătorilor, valori de referinţă ale parametrilor hidrodinamici întâlniţi la dispozitivele TBR pentru tehnologia Catalytic Wet Air Oxidation-CWAO în staţiile de epurare avansată a apelor uzate.

Definiţii

Liquid Holdup (retenţia coloanei) – Fenomen ce se produce într-o curgere bifazică printr-o conductă verticală; fenomenul constă în faptul că gazul curge cu o viteză liniară mai mare decât lichidul, astfel, are loc o alunecare a lichidului spre capătul superior al conductei, unde acesta rămâne blocat, reţinut (hold up).

1. Introducere

Cu ajutorul ingineriei sistemelor, ingineriei chimice şi a catalizatorilor, industria chimică va continua să se dezvolte în sens pozitiv. Cu toate acestea, pentru a maximiza profitul industrial cu ajutorul acestor domenii, trebuie să existe un progres comparabil şi în proiectarea echipamentului cu utilitate în procesele chimice. Proiectarea eficientă şi utilă asigură furnizarea materialelor şi a energiei către receptorii potriviţi la timpul potrivit prin folosirea dinamicii fundamentale a fluidelor.

Scopul acestei lucrări este acela de a dezvolta modelarea fluidelor multifazice pentru a permite o prognoză şi o utilizare optimă a dinamicii fluidelor implicate în procesele ce au loc în echipamentele de epurare a apelor uzate. În acest studiu sunt prezentate perspectivele situaţiei actuale a CFD şi potenţialul CFD pentru proiectarea echipamentelor de proces ce implică un model de efluent multifazic. Se ţine, de asemenea, seama şi de abordarea CFD ce implică modelarea computerizată în staţiile de epurare a apelor uzate, mai precis a operării reactoarelor cu filtru de particule catalitice (TBR). Din literatura de specialitate se extrage în vederea prezentării modelul multidimensional Euler-Euler pentru dispozitivul TBR.

2. Enunţarea Problemei, Condiţii

Un sector emergent din cadrul aplicaţiilor metodei ciclului de viaţă în mediu este acela al proceselor avansate de epurare a apelor uzate ce implică fluide multifazice. Acest domeniu reprezintă o provocare pentru conservarea florei şi faunei acvatice. De fapt, tehnologiile de bioremediere au limitări cunoscute şi au fost utilizate metode alternative de distrugere precum oxidarea catalitică în prezenţa aerului umed (Catalytic Wet Air Oxidation-CWAO) asupra unei diversităţi de compuşi organici implicând numeroşi catalizatori cu un mare potenţial pentru staţiile de epurare avansată a apelor uzate [1].

Reactoarele cu filtru de particule catalitice (TBR) sunt, în general, utilizate pentru reacţii eterogene catalitice între reactanţi gazoşi şi lichizi. Reacţiile sunt de: hidrogenare, oxidare sau oxidare parţială şi detoxificare a efluenţilor lichizi. În aceste reactoare, fazele lichidă şi gazoasă curg în aceeaşi direcţie printr-un filtru fix constituit din particule catalitice. Deşi majoritatea cercetărilor realizate înainte de 1990 s-au produs la presiunea atmosferică, după acea perioadă, un număr considerabil de cercetări s-au efectuat în reactoare cu filtru de catalizator sub presiune [2]. În literatura de specialitate s-a întâlnit un număr mare de studii asupra diverselor aspecte hidrodinamice ale TBR; totuşi, mai există multe de completat în ingineria reacţiilor în cadrul mediului. Între timp, s-au publicat relativ puţine lucrări de cercetare în ceea ce priveşte oxidarea catalitică în fază lichidă a compuşilor organici în echipamente TBR la scară mare pentru epurarea apelor uzate, în mare parte datorită lipsei valorilor parametrilor hidrodinamici. În prezenta lucrare, s-a efectuat modelarea unui TBR pentru a aduce pentru prima oară în prim-plan studiile hidrodinamice şi de reacţie prin modalitatea CFD, făcând, astfel, posibilă cercetarea asupra eficienţei diferitelor regimuri hidrodinamice implicate în operarea continuă a TBR.